石油化工控制室抗爆设计规范宣贯-结构

1、石油化工控制室抗爆设计规范在工程设计中的使用土建工程部2013-11-07目 录关于爆炸（概念，爆炸相似率，爆炸荷载） 抗爆结构设计原则抗爆结构设计步骤抗爆结构设计国标与行标相比的主要变化关于爆炸-概念爆炸通体在受限制的空间里突然膨胀而释放机械能、化学能或核能。按照产生爆炸的物质分类，我们可以将石油化工装置中可能发生的爆炸与TNT爆炸区别开来。常非常巨大。TNT爆炸的特点是相对于爆炸影响的范围讲，爆炸源相当于一个点。关于爆炸-概念石油化工装置中可能发生的爆炸不同于一般的TNT爆炸，可分为蒸汽云爆炸（Vapor Cloud Explode，简称VCE）、压力容器爆炸、浓缩相物质爆炸以及粉尘爆炸。

2、这几种爆炸在相关的资料中都有介绍。虽然石油化工装置中可能发生的爆炸存在多种形式，但石化工业内还是主要考虑蒸汽云爆炸。有资料表明，1972年至2000年近30年间，世界上烃类企业各种灾害的统计情况，从统计的角度可以验证上面的论述，尽管这些都是特大灾害而没有统计全面。关于爆炸-爆炸相似率爆炸相似率 爆炸冲击波参数可以用爆炸相似率，（也叫“Hopkinson规律”）来求得。假定特定的爆炸产生的冲击波通过空气按照冲击波的形式传递，可以计算得出某一确定的冲击波压力值会在距爆炸源某一距离处产生，而且与能量的立方根成正比。 爆炸冲击波参数可以利用现有的爆炸试验数据（通常是1千吨或者1万吨TNT当量）按照相似

3、率求得。 3RWR1W1关于爆炸-爆炸相似率1千吨TNT爆炸，冲击波超压与距离关系1 . 4101 . 310100ps(x , y)100.11101000.1 0.01x关于爆炸-爆炸荷载左图中可以看出，蒸汽云爆炸曲线与TNT爆炸曲线相比，其冲击波超压随距离的衰减较慢。另外，蒸汽云可以在空中随气流漂移，与明火接触后才发生爆炸，即爆炸地点与泄露地点可能会有一定的距离。基于以上两点，并不能明确提出距离危险源距离多少就可以不进行抗爆处理。抗爆结构设计原则在爆炸动荷载作用下, 允许结构构件进入弹塑性状态。抗爆动力分析的目的是要确定建筑物的变形，其变形的计算包含延性比、支座转角的计算。由于装置爆炸所

4、产生的冲击波超压其性质和破坏力具有不确定性的特征，因此在力学计算的基础上，抗爆设计过程中更应该重视概念设计，从建筑布局、结构选型、材料选择、结构的整体性、刚度、超静定等多方面综合考虑。业主规定和标准建筑物要求：重要程度、位置、布置、场地情况等爆炸性分析标准做法选址分析新的建筑物现有建筑物空旷场地爆炸参数建筑物功能要求构件荷载取值选择材料和结构体系材料特性初步假定构件尺寸变形限值分析方法等效静态SDOFMDOF结构分析基础设计附属物设计构造和详细设计文件抗爆结构设计步骤123爆炸性分析标准做法选址分析新的建筑物现有建筑物业主负责45空旷场地爆炸参数建筑物功能要求687构件荷载取值选择材料和结构体

5、系材料特性11109初步假定构件尺寸变形限值SDOFMDOF等效静态12设计工程师负责不满意变形极限计算结果是否满意？1314满意基础设计附属物设计15构造和详细设计文件结构分析分析方法建筑物要求：重要程度、位置、布置、场地情况等业主规定和标准抗爆结构设计（一）收集设计基本资料：了解建筑物在总平面的布置及方位，建筑资料、设计基本条件、爆炸性报告提供的爆炸荷载取值。抗爆结构设计（二）设计简图：对于封闭建筑物，爆炸载荷主要作用于外墙和屋顶， 并通过各个结构构件传至基础。爆炸能量通过结构的弹性变形，更为重要的是结构的塑性变形而被吸收。没有被结构吸收的爆炸能量部分传至基础。抗爆结构设计中只限于外围结构

6、构件直接承受爆炸动荷载作用，对内墙、与外围结构脱开的柱及中间楼板等一般不考虑由于结构振动引起的动力作用，仅在构造上予以适当加强。在设计过程中，通常的做法是根据荷载的传递途径，逐个构件进行分析。抗爆结构的设计简图抗爆结构设计（三） 爆炸荷载分析1.给出建筑物的体型特征参数；2.根据评估报告提供的超压Pso及作用时间td，按照规范给出的公式计算爆炸冲击波参数，即波速、峰值动压、波长。抗爆结构设计3. 计算作用在建筑物上的爆炸荷载：前墙：峰值反射压力Pr ，前墙正压等效作用时间te抗爆结构设计侧墙及屋面：有效冲击波超压Pa，有效冲击波超压升压时间tr抗爆结构设计后墙：有效冲击波超压Pb、冲击波到达后

7、墙时间ta、有效冲击波超压升压时间trb抗爆结构设计（四）抗爆构件的试算1.2.1)设定外墙参数：根据建筑物层高，依据规范确定墙厚。前墙核算计算模型：取 1m 宽的板，按照底部简支在刚性地坪处，上部简支在屋面板的单梁考虑。根据假定的前墙构件截面及配筋，计算其抗弯承载力、抗剪承载力，比较后2)得到构件的最大抗力 Ru抗爆结构设计3)单自由度体系构件变形验算：A.图表法：根据构件最大承载力 Ru，结合构件截面及配筋， 1）计算构件截面平均截面惯性距；2） 计算构件的有效刚度；3） 计算构件屈服挠度y=Ru/K；4） 计算构件的振动周期；5） 查规范附表核算构件允许延性比。三角形荷载下的极限抗力延性

8、比关系图解法时步骤：假定构件截面及配筋计算可达到的抗力 Ru 计算构件的屈服位移= RutdRu、D由在表中查出 核算 计算最大挠曲变形ccyKTPNDmax=mcDy 计算支座转角核算B. 也可采用数值积分方法进行验算。抗爆结构设计三角形荷载下的极限抗力延性比关系抗爆结构设计3. 侧墙在平面外荷载作用下的弹塑性转角核算:采用数值积分的方法分析。4. 后墙核算:同前墙核算步骤。5. 屋面板在平面内荷载作用下的计算屋面板四面连续固定于外部剪力墙,将前墙荷载传递给侧面剪力墙。抗爆结构设计1） 受力简图为两端固支（跨度取建筑物长度方向尺寸）。2） 近似将屋面板看作带翼缘的型梁，墙体视为翼缘板。3）

9、考虑工况：根据爆炸冲击波可能传来的方向确定。当从两个正交方向都可能时，以冲击波垂直于板跨方向和冲击波平行于板跨方向两个工况分别计算爆炸和结构反应。抗爆结构设计4)假定屋面板厚、屋面配筋（用于抗剪）、翼缘配筋（用于抗弯）。5)构件抗力计算：计算抗弯承载力、抗剪承载力：比较抗弯承载力及抗剪承载力，得到控制承载力R。单自由度等效体系计算计算构件的刚度、屈服位移、振动周期，通过数值积分的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰值响应及变位。6)抗爆结构设计6.侧墙在平面内荷载作用下的计算：侧墙在平面内荷载作用下为悬臂构件，将前墙及屋面荷载传递给基础。假定截面及配筋： 构件抗力计算：计算抗弯承载

10、力、抗剪承载力：比较抗弯承载力及抗剪承载力，得到控制承载力R。单自由度等效体系计算计算构件的刚度、屈服位移、振动周期，通过数值积分的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰值响应及变位。1)2)3)抗爆结构设计7.侧墙在平面内、平面外荷载交互作用下的变形计算：验算平面内外荷载相互作用情况下是否满足。（规范中未提及？）公式中:d为计算变形（延性比或支座转角），a为允许变形（延性比或支座转角），i代表平面内变位，o代表平面外变位。抗爆结构设计8.屋面板在平面外荷载作用下的计算：与平面内类似采用数值积分方法计算。9.屋面板在平面内、平面外荷载交互作用下的变形计算验算平面内外荷载相互作用情况下

11、22 D D di+ do 1.0 Dai Dao 是否满足。（规范中未提及？）抗爆结构设计10.框架梁、柱及次梁计算根据构件重要性和修复难易程度，对于次梁、框架梁和框架柱建议分别采用不同的延性比限值。次梁、框架梁和框架柱的动力计算均需要采用数值积分法。通过屋面板平面外支座反力倒算次梁荷载，通过次梁荷载倒算框架梁荷载，以此类推。确定荷载后即可假定各构件截面尺寸及配筋等参数，采用与屋面板平面外类似的方法进行延性比和变形参数验算。抗爆结构设计（五）基础设计：采用等效静力分析方法1. 柱基础：用PKPM程序设计，进行地基承载力验算 。2. 假定基础埋深，进行1）建筑物抗倾覆验算； 2）建筑物滑移验算

12、；国标与行标相比的主要变化1.基本规定：SH/T 3160-2009规定：6.1.1按照本规范进行设计的控制室，当遭受 相当于设计取定的爆炸荷载作用时，可能 局部损坏，但经一般修理应可以继续使用。GB50779-2012规定：3.0.2 按本规范进行设计的控制室，当遭受一次爆炸荷载作用时，可能局部损坏，但经一般修理应能继续使用。本条强调了按照本规范设计的建筑物不考虑承受连续多次爆炸的情况。国标与行标相比的主要变化2.电缆进线洞口的要求：1) SH/T 3160-2009中规定：5.1.8 室外电缆进入室内应采用电缆沟进线的方式（构造参见附录C），基础墙体洞口采用防火材料封闭，沟内充砂。不得在室

13、内地面以上的外墙上开设电缆进线洞口。2） GB50779-2012规定：4.1.6活动地板下地面以上的外墙上不得开设电缆进线洞口。基础墙体洞口应采取封堵措施，并应满足抗爆要求。条文说明4.1.6 主要是为了防止装置爆炸产生的超压通过电缆槽盒及建筑外墙上的开洞进入室内。3）目前工程中的常用做法：电缆沟进线，洞口处设置砂井的方式。国标与行标相比的主要变化电缆进线洞口剖面示意图国标与行标相比的主要变化4）关于“若采用电缆抗爆穿墙模块，电缆、光缆开洞是否不再受国标4.1.6条限制的问题”：本规范提出的电气、仪表电缆、光缆等需采用电缆沟进线方式是从建筑物受力分析角度考虑。规范中对于抗爆建筑物本体设计以外架空电缆的下地沟方式、进地沟的处理等问题未涉及。对采用电缆抗爆穿墙模块能否满足抗爆要求尚需进一步验证，本规范未涉及该部分内容。若电缆抗爆穿墙模块自身包括与建筑物的连接能够确认在爆炸荷载作用下，可以和相关墙体具有相同的抗爆能力，也可不受相关条文的限制。对其抗爆能力的评估，不在本规范解释的范围。为保证结构受力的需要，工程中对钢筋混凝土剪力墙上电缆沟、仪表沟开洞一般要求水平开洞不大于1m， 且相邻洞口间距不小于1m，洞口周围需加强。抗爆结构设计3. 框架、剪力墙构造SH/T 3160-2009规定：6.8.4 框架、剪力墙配筋及构造要求不应低于建筑抗震设计